電力系統諧波對繼電保護的影響

翁玉川

【摘??要】電力系統的正常穩定運行與人民生活生產密切相關。通過傅里葉函數對周期性非正弦電量進行分解可以得到兩個分量：一個分量的頻率同電網基波頻率相同;一個分量的頻率大于電網基波頻率，通常將大于電網基波頻率的分量稱為諧波。隨著電力系統中非線性元件的逐漸增加，電路中電壓與電流的正弦波也會出現一定程度的畸變，諧波便隨之產生。在現有技術水平下，電路中的諧波不可避免，其一方面影響到電力系統的整體質量，另一方面還會對部分電子設備帶來一定危害。

【關鍵詞】電力系統諧波;繼電保護;影響

引言

電力諧波（The?electric?power?harmonic），即電力系統電流中與工頻頻率不同的成分。諧波產生的根本原因為電壓加在非線性負載兩端，產生了跟電壓不一致的電流波形，即電路產生了諧波。諧波頻率一般為基波頻率的整數倍。根據傅里葉定理，波形可以分為基波頻率和整數倍基波頻率的正弦波代數和。以產生的源頭分類，諧波可分為發電裝置質量不高產生的諧波、輸配電過程產生的諧波以及電力用戶設備產生的諧波。

1電力系統諧波對繼電保護的影響

1.1對整流型繼電系統以及距離保護系統的影響

由于機波阻抗值的誤差值相對較大，同時電力系統內部的諧波電流分量相對較小，如果沒有對濾波進行及時的處理，不但會直接造成電力系統繼電設備產生誤動問題，同時還很有可能會造成誤操作問題。通過電力系統工作人員的調查分析，可以看出電力系統的諧波含量較小的情況下，諧波對保護設備的影響相對較小，但是在實際的供電工作中，由于供電線路外部環境因素的影響，電力系統的諧波含量通常情況下會超過標準數值，進而會對機電保護器系統的保護功能產生一定的干擾。當電力系統電流存在大量諧波的情況下，由于三相諧波不對稱或者是不相等的問題，外加上機電防護裝置附近存在并聯電容，對諧波的放大作用會造成供電裝置產生更大的諧波問題，整體的供電穩定性受到了一定的影響，嚴重的情況下會直接造成電力系統的繼電防護出現誤操作問題。電力系統供電過程中，電網繼電保護裝置主要由通過電力系統、電壓系統和線路主保護系統所構成，供電電流增加的情況下諧波干擾問題表現非常明顯，電力系統的諧波會直接造成供電電壓產生異常，同時會直接影響到電力系統的保護回路，造成設備出現誤操作問題。除此之外，因為電力系統的線路防護系統設備產生故障，內部的工作原件啟動受到了電力系統諧波問題的干擾，整個電力系統的邏輯電路和防護電路出現中斷，進而影響整個繼電保護工作的性能。

1.2對微機線路與負序啟動元件的影響

電力系統中諧波對繼電保護的影響除了表現在繼電器本身外，同時也表現在對電力系統的微機路線與負序啟動元件上。負序啟動元件和突變量是構成微機路線的重要組成部分，當負序啟動元件受到諧波的影響時，會導致保護裝置、邏輯電路在運行期間出現較大的失誤性操作，從而影響微機路線系統發揮保護的作用。同時，由于變壓保護與線路主保護都屬于繼電保護配置，在諧波干擾電量時，如果負序電流量的增加會使電壓發生畸變，同樣也會造成電力系統的保護設備出現重大的錯誤性操作故障。

2電力系統諧波控制措施

2.1利用無源濾波器

無源濾波器依據的是諧振原理，在濾波電路的作用下對需消除的高次諧波予以調諧處理，該抑制技術能夠確保諧振阻抗達到最低，只要將其安置在諧波附近便能夠對諧波電流進行吸收，防止諧波電流進入電網，對諧波產生抑制作用。常見的無源濾波器有以下幾種：（1）單調諧濾波器，其主要針對某一次諧波進行設計，相當于一個低阻通道，一旦系統中出現該次濾波便能夠對其產生容抗作用，將諧波消除。（2）雙調諧濾波器。其由兩個單調諧濾波器并聯而成，能夠同時對兩種頻率濾波進行吸收，其結構較為復雜，但對基波損耗小。（3）二階減幅濾波器。其主要是與單調諧波濾波器配合使用，對高于某次的諧波阻抗相對較小，能夠將高于該次以上的諧波進行濾除，其不僅能夠減少對濾波器的損耗，而且阻抗頻率特性好，應用廣泛。

2.2利用有源電力濾波器

有源濾波本質上使用的是反饋控制，在諧波源的附近加一個帶有受控電流源的負反饋控制電路。首先測得實際注入負載側的諧波電流波形，然后將諧波電流與理想負載電流作差，得出差值。最后，受控電流源根據差值發出頻率相同、相角一致但電流幅值相反的電流，從而盡可能準確地抵消電力諧波，以期降低電網中的電流諧波總畸變率，提高負載的功率因數，減小因電力諧波給通信系統及設備帶來的發熱及絕緣老化等眾多危害。近些年，隨著現代控制理論和電力電子技術的迅猛發展，有源濾波技術也進一步成熟并廣泛使用于電力輸配中。經過發展，有源濾波技術已取得了長足的進步。跟無源濾波器相比，有源濾波器有以下優勢：1）有源濾波器可有效抑制電力系統功率器件，比如電力電子換流器，變壓器，濾波電容，阻抗等器件的工作頻率范圍內的各次諧波，不受特定次諧波約束。2）當電力系統的參數發生變化，比如電容或者電抗的改變，也不會影響有源濾波器的濾波效果。3）不存在跟電網電阻抗發生并聯諧振或者串聯諧振的問題，并能有效抑制系統與無源濾波器之間的并聯諧振或者串聯諧振的問題。4）不會發生過載現象，當電力系統中出現較大的諧波電流的時候，系統能繼續運行。

2.3利用無諧波污染綠色變頻器

綠色變頻器的特點是：輸入與輸出電流都是正弦波，輸入功率因數可以有效控制，能夠獲得工頻點任意可控的輸出頻率。其內部的交流電抗器不僅可以有效抑制諧波，還能夠避免整流橋受到電壓瞬時尖波的影響。相關研究表明，帶電抗器的諧波電流遠遠低于不帶電抗器的諧波電流。

2.4利用主動諧波抑制

諧波產生原理認為當整流相數增加時，網側電流諧波成分會減少，此時電流波與正弦波接近。以晶匣管三相橋式整流電路為例，其中僅有n次奇次諧波，高次諧波振幅值更低，提示諧波次數的增加會降低振幅值。另外采用波形疊加法也能夠對諧波進行抑制。采用兩臺逆變器，能夠確保其電壓在副邊出現疊加，輸出波形半周內都會保持60度間隙，此時第二胎逆變器較第一臺會出現36度波形相移。那么在變壓器副邊上五次諧波能夠實現同時抵消，效率較高。

2.5整流電路的多重化

整流電路實現多重化，也就是實現多個方波的疊加，可以實現對次數較低諧波起到消除作用，能夠獲取和正弦波比較接近的階梯波。重數越多，所形成的波形和正弦波越接近，但是在過程中的電路復雜度也會提升。所以這一方法只能夠在大容量場合中應用。同時，這一方法不但能夠降低交流輸入電流諧波，也有助于降低直流輸出電壓中的諧波幅值，與此同時也有助于提升紋波頻率。這一方法在應用中實現和PWM技術結合應用，也就能夠獲取更好的諧波抑制效果，這一方法在橋式整流電路中的應用，有助于降低輸入電流的諧波。

結語

綜上所述，在電力系統的供電工作中，相關供電單位需要對系統諧波產生的影響加以充分的重視。重點針對諧波對繼電保護所產生的影響進行合理的控制。除此之外，在電力系統的供電過程中，諧波問題還會造成電壓、電流以及阻抗等方面的問題。因此，針對繼電保護工作，必須要有效預防受到外部環境因素的影響，對繼電保護裝置存在的各種異常問題有效解決，最大限度地提高供電工作的質量和效率。

參考文獻：

[1]白汗.探究電力系統諧波對繼電保護的影響[J].電子測試，2018（19）：107-108.

[2]程麗.電力系統諧波對繼電保護的影響研究[J].中國新通信，2017，19（1）：97.

（作者單位：國家電投集團河南電力有限公司平頂山發電分公司）